Elektronik für Ingenieure: Analoge und digitale integrierte Schaltungen

558 Pages·2003·14.28 MB·German

by  Rainer Laur (auth.)

László  Palotas Hrs .
Elektronik für
Ingenieure
Analoge und digitale integrierte
Schaltungen
Laszlo Palotas (Hrsg.)
Elektronik für
Ingenieure
Elektronik für Ingenieure
--------------------------~
Analoge und digitale integrierte Schaltungen
Der Herausgeber
Prof. Dr. lng. Dr. Techn. Laszlo Palotas Fachhochschule
Wiesbaden
Die Autoren des Buches:
Prof. Dr.-Ing. Klaus Fricke Fachhochschule
Digitaltechnik Fulda
Mikroprozessoren und Mikrocontroller
Netze, Busse, Schnittstellen
Prof. Dr.-Ing. Georg Fries Fachhochschule
Programmierbare Logik und VHDL Wiesbaden
Prof. Dr.-Ing. Rainer Laur Universität
Modelle ausgewählter Halbleiterbauelemente Bremen
Grundschaltungen und Schaltungskonzepte
Prof. Dr.-Ing. Dr. Techn. Laszlo Palotas Fachhochschule
Lineare Schaltungen Wiesbaden
Nichtlineare Schaltungen
Prof. Dr.-Ing. Klaus Schumacher Universität
Dr.-Ing. Ralf Wunderlich Dortmund
Operationsverstärker, Komparatoren und
rechnergestützter Entwurf
Nichtidealitäten integrierter Schaltungen
.,---vieweg __________________ ______
Laszlo Palotas (Hrsg.)
Elektronik für
Ingenieure
Analoge und digitale integrierte Schaltungen
Mit 420 Abbildungen und 60 Tabellen
~
vleweg
Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über ,http://dnb.ddb.de> abrutbar.
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Dr. Techn. Laszlo Palotas lehrt an der Fachhochschule Wiesbaden
in den Fachbereichen Informationstechnologie und Elektrotechnik sowie Umwelttechnik und
Informatik.
Der Reihenherausgeber: Prof. Dr.-Ing. atto Mildenberger lehrte an der Fachhochschule
Wiesbaden in den Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik.
1. Auflage August 2003
Alle Rechte vorbehalten
© Springer Fachmedien Wiesbaden 2003
Ursprünglich erschienen bei Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH 2003.
www.vieweg.de
Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede
Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist
ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbeson
dere für Vervielfciltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Ein
speicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
Umschlaggestaltung: Ulrike \\eigel, wlVw.CorporateDesignGroup.cle
Gedruckt auf säurefreiem lind chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN 978-3-322-89921-7 ISBN 978-3-322-89920-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-89920-0
v
Vorwort
Die Bedeutung der Elektronik hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Eine der
Ursachen ist darin zu sehen, dass bei den modernen hochintegrierten Schaltungen digitale
und analoge Schaltungsteile (mixed analog/digital VLSI-ICs) in friedlicher Koexistenz
miteinander "leben" müssen. Beispielsweise nehmen die analogen Schaltungen im Bereich
der digitalen Kommunikation nur einen Bruchteil der Chipfläche in Anspruch, beeinflussen
jedoch grundsätzlich die Eigenschaften des Gesamtsystems, und stellen beim Entwurf oft
das schwierigere Problem dar.
Der Schaltungsentwurf lässt sich in zwei Bereiche aufteilen: a) Der klassische Entwurf
mit handelsüblichen integrierten Schaltungen und b) Der Entwurf von integrierten Schal
tungen. Der fe-Anwender muss Grundkenntnisse über das Innenleben einer integrierten
Schaltung haben, um sie richtig einsetzen zu können. Der fe-Entwickler, der mit einzelnen
Transistoren arbeitet, muss einen genauen Einblick in die integrierte Schaltungstechnik auf
Transistorehene haben.
Die zweite Ursache liegt an der Zunahme der Bedeutung der Schaltungssimulation. Sie
war bei der fe-Entwicklung schon immer selbstverständlich. Jedoch auch beim Entwlllj von
Schaltungen mit ICs spielt der Einsatz von Simulatoren eine immer größere Rolle. Die
Schaltungssimulation setzt voraus, dass Grundkenntnisse zur ModelIierung und Modellbil
dung vorhanden sind. Diese Grundkenntnisse beziehen sich sowohl auf die physikalischen
Modelle von Halbleiterbauelementen (Dioden, Transistoren), als auch auf den Aufbau von
komplexen integrierten Schaltungen (Operationsverstärker, Komparatoren, PLL).
Im Bereich der Digitaltechnik werden zunehmend programmierbare Logikbausteine
verwendet. Das erfordert wiederum, dass der Entwickler über grundlegende Kenntnisse
bezüglich des Aufbaus der komplexen digitalen Schaltungen (Mikroprozessoren, Signalpro
zessoren) auf Gatter-Ebene verfügt, und auch über die Einsatzmöglichkeiten von modernen.
lei~tungsfähigen Entwurfsverfahren (VHDL-Modelle) informiert ist.
Das vorliegende Buch wendet sich deshalb einerseits an Ingenieure in der Praxis, die sich
mit dem Einsatz. oder Entrvlirfvon integrierten Schaltungen befassen, andererseits aber auch
an Studierende von Universitäten, Hochschulen und Fachhochschulen, die sich über be
stimmte Gebiete der Elektronik informieren möchten - bei denen ein Lexiko/l nicht aus
reicht, die sich aber auch nicht in sehr umfangreiche Darstellungen einlesen wollen. Mit den
ausgewählten Beiträgen kann natürlich die Elektronik nicht in ihrer ganzen Breite abgedeckt
werden. Dieser Mangel wurde bewusst in Kauf genommen. da die Berücksichtigung aller
Bereiche den vorgesehenen Umfang des Buches gesprengt hätte.
Das Buch behandelt deshalb nur eine auf Grund der o.g. Gesichtspunkten getroffene
Auswahl der relevantesten Teilgebiete der analogen und digitalen integrierten
Schaltungstechnik. Es besteht aus zehn kompakten Einzelbeiträgen, wobei das betreffende
Gebiet mit den wichtigsten Begriffen, Beziehungen und Schaltbildern dargestellt wird. Die
einzelnen Kapitel können unabhängig voneinander gelesen und verstanden werden.
VI Vorwort
Das Buch beginnt mit einer systematischen Abhandlung von auf physikalischer Grundla
ge basierenden Modellen ausgewählter Halbleiterbauelemente. Eine kompakte Beschrei
bung der analogen und digitalen Grundschaltungen und Schaltungskonzepte findet der Leser
im zweiten Abschnitt. Im Kapitel 3 werden bipolare und MOS Operationsverstärker bzw.
Komparatoren besprochen, wobei auch auf den rechnergestützten Entwurf mit Schaltungs
simulatoren eingegangen wird. Kapitel 4 widmet sich den Nichtidealitäten (wie parasitäre
Kapazitäten oder Rauschen) beim Entwurf von integrierten Schaltungen. Im Abschnitt 5
werden die wichtigsten linearen Anwendungen - wie aktive Filter, geschaltete Kondensator
Filter, Abtast-Halteschaltungen, Bandabstandsreferenzen sowie Digital-Analog und Analog
Digital Umsetzer behandelt. Das umfangreiche Kapitel 6 befasst sich mit Aufbau und An
wendungen von nichtlinearen integrierten Schaltungen, wie Analog-Multiplizierern, Phasen
regelkreisen, Oszillatoren und Funktionsgeneratoren, die in den Gebieten der Telekommu
nikation, Regelungstechnik und Messtechnik unentbehrlich sind. Die digitaltechnischen
Grundlagen (Codes, Schaltalgebra, Multiplexer, Addierer, Flipflop) werden im Abschnitt 7
dargestellt. Kapitel 8 befasst sich mit der programmierbaren Logik (PLD, PLA, FPGA)
sowie mit der Modellierung und dem Entwurf von digitalen Schaltungen mit der Hochspra
che VHDL. Der grundsätzliche Aufbau von Mikroprozessoren, Mikrocontrollern und Sig
nalprozessoren wird im Kapitel 9 beschrieben. Den Abschluss des Buches bildet der Ab
schnitt 10 über Netze, Bussysteme und Schnittstellen. Alle Abschnitte enthalten Literatur
hinweise für ein vertieftes Weiterstudium.
Dem Buch liegt eine CD-ROM mit der Studentenversion des Schaltungssimulationspro
gramms SIMPLORER mit zahlreichen Beispielen bei. Die Simulator-CD wurde von der Fa.
Ansoft Corporatiol1 in der VHDLlAMS-fähigen Version 6 freudlicherweise kostenlos zur
Verfügung gestell t.
An dieser Stelle möchte ich Herrn Prof. Mildenberger vom Verlag Vieweg danken. Ohne
seine unkomplizierte und kompetente Unterstützung wäre dieses Buch vermutlich nicht
entstanden, zumal er den entscheidenden Anstoß für dieses Buchprojekt gab. Dank gebührt
auch meinen Kollegen Prof. Fries für seine kritische Durchsicht der Kapitel 5-10.
Eine besondere Anerkennung gilt meiner lieben Frau Ute - die neben dem mühevollen
Korrekturlesen des Manuskripts - die Entstehung dieses Buches mit sehr viel Unterstützung,
Geduld und Verständnis seit Jahren begleitet hat. Ihr sei dieses Buch gewidmet.
Die Autoren und Herausgeber sind an Kritik, Hinweise und Vorschlägen der Leserinnen
und Leser sehr interessiert.
Klein-Winternheim, im Mai 2003
Der Herausgeber
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Modelle ausgewählter Halbleiterbauelemente 1
I. I Physikalische Grundlagen, die Halbleitergrundgleichungen ...................................... 2
1.2 Modelle für pn-Übergänge und pn-Dioden ................................................................ 3
1.2. I pn-Diode im Gleichgewicht.. ............................................................................. 4
1.2.2 pn-Diode mit äußerer Spannung ........................................................................ 6
1.2.3 Ideale Diode (Shockley-Gleichung) ................................................................ IO
1.2.4 Dynamisches Verhalten der Diode .................................................................. 12
1.2.5 Reale Dioden ................................................................................................... 15
1.2.6 Großsignalmodell der Diode ........................................................................... 16
1.2.7 Kleinsignalmodell der Diode ........................................................................... 16
1.2.8 Temperaturabhängigkeit des Diodenstroms .................................................... 18
1.3 Modelle bipolarer Transistoren ................................................................................ 19
1.3. I Aufbau und Wirkungsweise des integrierten Bipolartransistors ...................... 19
1.3.2 Ebers-Moll-Modell (EMM) ............................................................................. 23
1.3.3 Gummel-Poon-Modell (GPM) ........................................................................ 31
1.3.4 Nichtideale Effekte .......................................................................................... 37
1.3.5 Kleinsignalmodell des bipolaren Transistors ................................................... 39
1.3.6 Frequenzverhalten der Stromverstärkung ........................................................ 41
1.3.7 Großsignal-, Schaltverhalten ........................................................................... 44
1.3.8 Modelle für pnp-Transistoren .......................................................................... 46
1.4 Modelle des MOS-Feldeffekttransistors (MOSFET) ............................................... 47
1.4. I Prinzipieller Autbau und Wirkungsweise des MOS-Feldeffekttransistors ...... 47
1.4.2 Gradual Channel Approximation, Anreicherung, Verarmung, Inversion ........ 51
1.4) Ladungen der MOS-Struktur ........................................................................... 57
1.4.4 Sllbstrateffekt. .................................................................................................. 59
1.4.5 Kanalstrom am Beispiel des NMOS-Transistors, Basismodell ....................... 60
1.4.6 Verarmllngstransistoren ................................................................................... 67
1.4.7 P-Kanal-Transistoren ....................................................................................... 67
1.4.8 Nichtideale Effekte .......................................................................................... 68
1.4.9 Dynamisches Großsignalmodell des MOS-Transistors ................................... 75
1.5 Kleinsignal-Ersatzschaltbild des MOS-Transistors .................................................. 77
1.6 Freqllenzverhalten des MOS-Transistors ................................................................. 79
1.7 Literatur .................................................................................................................... 81
2 Grundschaltungen und SchaItungskonzepte 83
2. I Einstllfige Grundschaltungen zur Kleinsignalverstärkllng mit Widerstandslast ...... 83
2.1.1 Gleichstrom - Arbeitspunkt .............................................................................. 84
VIII Inhaltsverzeichnis
2. 1.2 Emitter-und Source-Grllndschaltung .............................................................. 86
2. 1.3 KoIIektor-Grunoschaltllng, Emitterfolger ........................................................ 9 I
2. 1.4 Basis-Grundschaltllng ...................................................................................... 93
2.2 Zwei stufige bipolare Kleinsignalverstärker .............................................................. 94
2.3 QueIIenschaltlingen .................................................................................................. 96
2.3. I KonstantspannlJlIgstjlleIlen, ReferenzspannungsqueIlen .................................. 97
2.3.2 KonstantstromqucIle, Stromspiegel ................................................................. 99
2.4 Einstufige CMOS-VerslÜrker ................................................................................. 104
2.5 Differenzverstärker ................................................................................................. 106
2.5.1 Bipolarer Differenzverstärker ........................................................................ 107
2.5.2 CMOS-Differelll:verstärker ............................................................................ I I I
2.6 Digitale Grundschallllngen ..................................................................................... I 12
2.6. I Eigenschaften digitaler Inverter ..................................................................... I 12
2.6.2 CMOS-Inverter .............................................................................................. I 17
2.6.3 CMOS-Gattersl:haltungen .............................................................................. 121
2.6.4 Bipolare digitale Grundschaltungen ............................................................... 125
2.6.5 BiCMOS-Logik ............................................................................................. 127
2.7 Literatur .................................................................................................................. 129
3 Operationsverstärker, Komparatoren und rechnergestützter Entwurf 131
3. I Operationsverstärker .............................................................................................. 131
3. I.I Eigenschaften IIno Kenndaten von Operationsverstärkern ............................ 132
3. 1.2 Prinzip der Gegenkopplung ........................................................................... 137
3.1.3 Auswahl von Operationsverstärkern .............................................................. 142
3. 1.4 Entwurf von Operationsverstärkern ............................................................... 142
3. 1.5 Stabilität ......................................................................................................... 143
3. 1.6 Beispiel Bipolar Operationsverstärker ........................................................... 146
3.1.7 Beispiel CMOS Operationsverstärker. ........................................................... 151
3.1.8 Beispiel Transkonduktanzverstärker .............................................................. 154
3.2 Komparatoren ......................................................................................................... 156
3.2.1 Einstufige Komparatoren ............................................................................... 157
3.2.2 Zweistufige Komparatoren ............................................................................ 159
3.2.3 Komparatoren mit Hysterese ......................................................................... 160
3.2.4 Komparatoren mit Selbstabgleich .................................................................. 163
3.3 Rechnergestützter Entwurf integrierter Schaltungen .............................................. 165
3.3.1 Elementare Baudemente ............................................................................... 169
3.3.2 Spannungs- und Stromquellen ....................................................................... 170
3.3.3 Modelle .......................................................................................................... 172
3.3A Analysen ........................................................................................................ 173
3A Literatur .................................................................................................................. 176
4 Nichtidealitäten integrierter Sl~haItungen 179
-\..1 Parasitäre Kapazi@cn in d('r MOS-Schaltungstechnik .......................................... 180
-\..1.1 Spannungscharakteri.',1 ik der MOS-Kapazität ................................................ 180
-\..1.2 Parasitüre Kapa/itütell dl:s MOS-Transistors ................................................. 182
Inhaltsverzeichnis IX
4.1.3 Kapazitätskomponenten der Diffusionsgebiete ............................................. 185
4.1.4 Auswirkungen der parasitären Kapazitäten ................................................... 187
4.2 Rauschen ................................................................................................................ 188
4.2.1 Größen zur Beschreibung .............................................................................. 189
4.2.2 Physikalische Ursachen und Rauschmodelle ................................................. 195
4.2.3 Ersatzschaltbilder .......................................................................................... 200
4.2.4 Rechnergestützte Rauschanalyse ................................................................... 205
4.3 Parameterstreuungen und Genauigkeit bei integrierten Schaltungen ..................... 206
4.3.1 Physikalische Ursachen ................................................................................. 206
4.3.2 Lokale und globale Streuungen, Mismatch ................................................... 209
4.3.3 Flächen- und Distanzgesetz ........................................................................... 211
4.3.4 Folgerungen für den Schaltungsentwurf. ....................................................... 213
4.3.5 Beispiel .......................................................................................................... 215
4.3.6 Genauere ModelIierung -Spektralmodell ..................................................... 216
4.4 Literatur .................................................................................................................. 220
5 Lineare Schaltungen 221
5.1 Aktive Filter ........................................................................................................... 221
5.1.1 Grundlagen und Übersicht... .......................................................................... 222
5.1.2 Normierung ................................................................................................... 225
5.1.3 Toleranzschema ............................................................................................. 226
5.1.4 Filtertypen ..................................................................................................... 226
5.1.5 Frequenztransformationen ............................................................................. 228
5.1.6 Approximationsverfahren .............................................................................. 230
5.1.7 Leapfrog-Filter .............................................................................................. 235
5.1.8 Kaskadensynthese aktiver Filter .................................................................... 237
5.2 SC-Filter ................................................................................................................. 243
5.2.1 SC-Integrator der ersten Generation .............................................................. 244
5.2.2 SC-Schaltungen der zweiten Generation ....................................................... 247
5.2.3 SC-Filterblock ersten Grades ......................................................................... 249
5.2.4 SC-Filterblock zweiten Grades ...................................................................... 249
5.2.5 Integrierte SC-Filter. ...................................................................................... 25 I
5.3 Abtast-Halteschaltung (SampIe & Hold) ............................................................... 252
5.3.1 Klassifikation von Signalen, Abtasttheorem ................................................. 252
5.3.2 Aufbau einer Abtast-Halteschaltung .............................................................. 256
5.3.3 Die wichtigsten Kenngrößen ......................................................................... 256
5.3.4 Realisierung von SIH Schaltungen ................................................................ 257
5.4 Bandabstands-Referenz ........•................................................................................. 260
5.5 Digital-Analog-Umsetzer (DAU) ........................................................................... 264
5.5.1 Die wichtigsten Kenngrößen ......................................................................... 265
5.5.2 Parallelverfahren ............................................................................................ 266
5.5.2 Indirekte (PWM)-DAU ................................................................................. 271
5.5.3 Oversampling DAU ....................................................................................... 272
5.6 Analog-Digital Umsetzer ....................................................................................... 274
5.6.1 Einige Kenngrößen, Klassifizierung von ADU ............................................. 275